¿Qué pasaría si pudieras escuchar música o un podcast sin auriculares o auriculares y sin molestar a nadie a tu alrededor? ¿O tienes una conversación privada en público sin que otras personas te escuchen?
Nuestra investigación recientemente publicada presenta una forma de crear enclaves audibles – Bolsas de sonido localizadas que están aisladas de su entorno. En otras palabras, hemos desarrollado una tecnología que podría crear un sonido exactamente donde debe estar.
La capacidad de enviar un sonido que se vuelve audible solo en una ubicación específica podría transformar las experiencias de entretenimiento, comunicación y audio espacial.
¿Qué es el sonido?
El sonido es una vibración que viaja a través del aire como una ola. Estas ondas se crean cuando un objeto se mueve hacia adelante y hacia atrás, comprimiendo y descomprimiendo las moléculas de aire.
La frecuencia de estas vibraciones es lo que determina el tono. Las bajas frecuencias corresponden a sonidos profundos, como un bombo; Las altas frecuencias corresponden a sonidos agudos, como un silbato.
Controlar hacia dónde va el sonido es difícil debido a un fenómeno llamado difracción – La tendencia de las ondas de sonido a extenderse mientras viajan. Este efecto es particularmente fuerte para los sonidos de baja frecuencia debido a sus longitudes de onda más largas, lo que hace que sea casi imposible mantener el sonido confinado en un área específica.
Ciertas tecnologías de audio, como altavoces de matriz paramétricapuede crear Vigas de sonido enfocadas dirigido en una dirección específica. Sin embargo, estas tecnologías aún emitirán un sonido que es audible a lo largo de todo su camino a medida que viaja a través del espacio.
La ciencia de los enclaves audibles
Encontramos una nueva forma de enviar un sonido a un oyente específico: a través de vigas de ultrasonido de autocompresión y un concepto llamado acústica no lineal.
La ecografía se refiere a ondas de sonido con frecuencias por encima del rango de audición humana, o más de 20 kHz. Estas olas viajan por el aire como ondas sonoras normales, pero son inaudibles para las personas.
Debido a que el ultrasonido puede penetrar a través de muchos materiales e interactuar con objetos de maneras únicas, se usa ampliamente para imagen médica Y muchos aplicaciones industriales.
En nuestro trabajo, utilizamos ultrasonido como operador para el sonido audible. Puede transportar el sonido a través del espacio en silencio, volviéndose audible solo cuando lo desee. ¿Cómo hicimos esto?
Normalmente, ondas de sonido Combinar linealmentelo que significa que solo se suman proporcionalmente a una ola más grande. Sin embargo, cuando las ondas de sonido son lo suficientemente intensas, pueden interactuar de manera no lineal, generando nuevas frecuencias que no estaban presentes antes.
Esta es la clave de nuestra técnica: usamos dos vigas de ultrasonido a diferentes frecuencias que son completamente silenciosas por su cuenta. Pero cuando ellos intersectarse en el espacioLos efectos no lineales hacen que generen una nueva onda de sonido a una frecuencia audible que se escuche solo en esa región específica.
Crucialmente, diseñamos vigas ultrasónicas que pueden doblarse por su cuenta. Normalmente, las ondas de sonido viajan en líneas rectas a menos que algo los bloquee o los refleje. Sin embargo, usando metasurfaces acústicas – Materiales especializados que manipulan las ondas de sonido: podemos dar forma a los rayos de ultrasonido para doblarse mientras viajan.
Similar a cómo una lente óptica dobla la luz, las metasurfaces acústicas cambian la forma del camino de las ondas de sonido. Al controlar con precisión la fase de las ondas de ultrasonido, creamos caminos de sonido curvos Eso puede navegar alrededor de los obstáculos y reunirse en una ubicación objetivo específica.
El fenómeno clave en el juego es lo que se llama Generación de frecuencia de diferencia. Cuando dos vigas ultrasónicas de frecuencias ligeramente diferentes, como 40 kHz y 39.5 kHz, se superponen, crean una nueva onda de sonido a la diferencia entre sus frecuencias, en este caso 0.5 kHz o 500 Hz, que está dentro del rango de audición humana.
El sonido solo se puede escuchar donde se cruzan las vigas. Fuera de esa intersección, las ondas de ultrasonido permanecen en silencio.
Esto significa que puede entregar audio a una ubicación o persona específica sin perturbar a otras personas a medida que el sonido viaja.
Control de sonido avanzado
La capacidad de crear enclaves de audio tiene muchas aplicaciones potenciales.
Los enclaves de audio podrían habilitar audio personalizado en espacios públicos. Por ejemplo, los museos podrían proporcionar diferentes guías de audio a los visitantes sin auriculares, y las bibliotecas podrían permitir a los estudiantes estudiar con lecciones de audio sin alterar a otros.
En un automóvil, los pasajeros podían escuchar música sin distraer al conductor de las instrucciones de navegación auditiva. Las oficinas y los entornos militares también podrían beneficiarse de las zonas de habla localizadas para conversaciones confidenciales.
Los enclaves de audio también podrían adaptarse para cancelar el ruido en las áreas designadas, creando zonas tranquilas para mejorar el enfoque en los lugares de trabajo o reducir la contaminación acústica en las ciudades.
Esto no es algo que esté en el estante en el futuro inmediato. Por ejemplo, quedan desafíos para nuestra tecnología. La distorsión no lineal puede afectar la calidad del sonido. Y la eficiencia energética es otro problema: convertir ultrasonido en sonido audible requiere campos de alta intensidad que pueden ser intensivos en energía de generar.
A pesar de estos obstáculos, los enclaves de audio presentan un cambio fundamental en el control de sonido. Al redefinir cómo el sonido interactúa con el espacio, abrimos nuevas posibilidades para experiencias de audio inmersivas, eficientes y personalizadas.
Jiaxin zhongInvestigador postdoctoral en acústica, Estado de Penn y Yun JingProfesor de acústica, Estado de Penn
Este artículo se republicó de La conversación bajo una licencia Creative Commons. Leer el artículo original.